l e

L’énergie du muscle

 

1.  Le flux de l’énergie

Définition

Encyclopédies : l’énergie est une grandeur, non palpable, traduisant la capacité d’un système à modifier l’état d’autres systèmes

Les lois de la thermodynamique admettent que l’énergie totale d’un système demeure constante au cours de ses différentes transformations.

 

                        Loi de la conservation de l’énergie

 

             La mesure de l’énergie se fait en Kcal (kilo-calorie)

 

1 Kcal est la quantité d’énergie nécessaire pour évoluer de 1°C, 1kg d’eau à une température de 15°C.

 

Les 6 formes d’énergie

 

Chimique

 

Mécanique

 

 


 

Lumineuse

 

 

Électrique

 

 

Nucléaire

 

 

Thermique

 

 

Exemple :

 

Électrique

 

Mécanique

 

Mouvement

 

 

 

 

Moteur chauffe

 

Moteur chauffe

 

 

 

 


 

Le muscle s’échauffe

 

 

Mouvement

 

 

Thermique

 

 

Mécanique

 

 

Contraction musculaire

 

 

Chimique

 

 

 

 

 

 

 

CO2

 
Le flux de l’énergie

 

O2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

Transformation énergie chimique en énergie mécanique

 

 

 Mouvement

 

 

CO2

H2O

 

 

O2

 

 

CELLULES

Respiration cellulaire

 

 

Humain

 

 

Animaux

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.  Dégradation de l’ATP

Rôle de l’ATP

 

Catalyse d’origine enzymatique

 

La réaction

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Nommé hydrolyse de l’ATP est la seule réaction chimique à fournir l’énergie permettent

            Le pivotement des têtes de myosines

            La réactivité

            Et le raccourcissement

Molécule de découverte par LOHMANN en 1929

 

L’ATP (adénosine tri-phosphate) , qu’est ce que c’est ?

Groupement ADENOSINE

ð  adénine (base azotée présente dans la molécule d’ADN et d’ARN)

ð  ribose (pentose présente dans l’ARN)

 è 3 groupements « PHOSOHATE » reliés entre eux pas des LIAISONS riches en énergie

 

L’ensemble   constitué pas

            Adénine

            Ribose

            Un groupement phosphate

Et un nucléotide d’ARN (cours 1)

L’ATP est donc un nucléotide d’ARN auquel se sont fixés                 

            2 groupes phosphate par les liaisons riches en énergie

 

Mécanismes

La myosine ATPase (tête de myosine) va provoquer la rupture d’un des ponts et la libération de l’énergie.

Les produits résultant de cette réaction sont :

            L’ADP : adénosine di-phosphate

            Groupement phosphate libre

 

 

 

 

Exemple : le pompe Na-K, la contraction

 

 

 

          Myosine ATPase

ATP                                   ADP + Pi + énergie

 

 

 


 

 

Par soucis de simplification, cette réaction est présente incomplète

            Il s’agit d’une hydrolyse donc présence de H2O à gauche de la réaction

            Nécessite la présence de « co-facteurs », le magnésium Mg++

            Cette réaction libère des ions H+ et 2 électrons e- (à droite)

 

Or les réserves d’ATP intramusculaires sont limitées, et s’épuisent assez vite.

 

                               Concentration = 4 à 6 mmoles/kg de muscle

                        Energie disponible = 0,04 à 0,06 kcal/kg de muscle

Ceci correspond à une contraction d’intensité maximale de 7 s environ

 

 

 

 

 

 

Pour maintenir une activité de durée supérieure, l’homme va devoir

            De manière permanente et parallèlement à son activité

Reconstruire de l’ATP, la resynthétiser  

            Ex : courbe ATP CP sur un effort de 14 s

 

Comme la majorité des réactions chimique de l’organisme

L’hydrolyse de l’ATP est accélérée par l’activité enzymatique

            ATPase ou Adénosine triphosphate (extrémité de la tête de myosine)

 

Exemple d’action enzymatique CATABOLIOSME

 

 

3.  Voies de la resynthèse

Caractéristiques communes

Pour comparer 2 systèmes énergétiques différents on utilise 5 paramètres

-         le délai d’intervention (ce que l’on appelle INERTIE) : le temps mis par ce système énergétique pour devenir pleinement opérationnel

-         la PUISSANCE développée (la quantité d’énergie libérée par unité de temps)

-         la CAPACITE (quantité d’énergie disponible)

-         le RENDEMENT (pourcentage énergie utilisable par rapport à l’énergie produite)

-         les FACTEURS LIMITATIFS ; ce qui va limiter dans la durée ou la puissance de fonctionnement de ce système énergétique.

 

L’organisme humain dispose de 3 systèmes énergétiques différents

Ces 3 systèmes sont ……………………………………………………….. 

 

Pour bien comprendre les notions de puissance et de capacité, on peut citer par exemple du flacon

 

Mon flacon est rempli jusqu’à un certain niveau avec du liquide (volume)

 

Si je renverse le flacon, une certaine quantité de liquide va s’écouler (débit exprimé en unité de volume par unité de temps)

 

Cet écoulement est conditionné par le diamètre du goulot

On peut assimiler cela à la puissance  

 

La quantité totale de liquide contenu dans le flacon représente la capacité

 

Augmenter les possibilités d’un système va nécessiter le développement de ces 2 composantes (puissance et capacité)

 

Disposer d’un flacon bien rempli (capacité) est inutile si le diamètre de goulot (puissance) est faible

Peu de liquide pourra s’écouler

            Sujet capable de maintenir une durée importante

            Sans pouvoir en accroître l’intensité

 

Disposer d’un flacon faiblement rempli (capacité) avec un diamètre du goulot (puissance) important est peu rentable

Le flacon se videra vite

            Sujet capable de maintenir une intensité élevée

            Mais se fatiguera très vite

Les 3 systèmes.

 

Phosphagènes

Glycolyse anaérobie

Oxydation

- Appelé filière Anaérobie (sans utilisation oxygène) Alactique (sans production d’acide lactique).

 

- Utilise des composés phosphorés : ATP, ADP, PC (phosphocréatine).

 

- Incorrectement appelée filière Anaérobie (sans oxygène) Lactique (production d’ac lactique).

 

- Dégradation du glucose en

acide pyruvique puis acide lactique.

 

- Sans intervention oxygène : Cycle d’Embdenmeyeroff.

- Appelé filière

Aérobie (présence d’

Oxygène)

 

- Tous les substrats st concernés (lipides, glucides, protéines)

 

-Cycle de Krebs et chaîne respiratoire.

 

 

 

 

Système des phosphagènes

Ø  Deux mécanismes

Phosphocréatine:

 

Utilise un composé également présent dans le muscle : la Créatine phosphate (CP) ou phosphocréatine.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


* Origine de la créatine

 

Constituée à partir de différents acides aminés

Véhiculée par le sang

    Vers les muscles dans lesquels elle pénètre grâce à des récepteurs spécifiques.

    Le surplus est transformé en créatine et évacué par les voies rénales.

L’apport de créatine exogène

    Substance non classée dans la liste des produits dopants

    Mais interdite à la vente en France.

N’a jamais vraiment fait la preuve de son efficacité, sans qu’on soit capable actuellement d’en apprécier les risques.

 

* Réaction d’hydrolyse

 

La CP est hydrolysée suivant la réaction chimique suivant.

 

CPK

 

 

 

 

 

 


CPK = Créatino phosphokinase (catalyse d’origine enzymatique)

 

Cette réaction se déroule dans le cytoplasme à proximité des filaments contractiles.

Deux éléments sont transférés de la molécule de créatine phosphate suite à la rupture du pont :

  • Groupement phosphate
  • Energie permettant la resynthèse de la molécule d’ATP.

 

 

* Commentaires

 

 Comme pour l’hydrolyse de l’ATP, l’hydrolyse de la CP est présentée incomplète pour les mêmes raisons (H2O, Mg++, H+).

 

ADP

Il existe une autre forme resynthèse de l’ATP :

  • ATP en faible quantité.
  • ADP en grande quantité.

 

Localisé uniquement au niveau musculaire.

Voire mineure.

 

A partir de deux APD :

- Rupture sur une deux molécules d’une liaison (myokinase).

- Avec resynthèse d’un ATP et comme résidu un AMP (adénosine mono phosphate).

 

 

Formule résumé :

 

2 ADP         1 ATP  +  1 AMP

 

 

 

 

 

 

 


Ø  Caractéristiques

 

* Inertie : fourniture d’énergie est immédiate.

Le composé utilisé (créatine phosphate) est comme l’ATP présent au niveau des filaments.

Puissance très élevé, proche du maximum.

 

* Capacité: peu importante

Permet le maintien d’une intensité maximale environ 20 secondes.

 

* Rendement : important

Environ 40% (énergie mécanique 40%, énergie thermique 60%)

 

* Limitation : quantité de créatine phosphate disponible au niveau du muscle. 

 

 

Glycolyse anaérobie

 

Le système des phosphagènes permet théoriquement de synthétiser l’ATP pendant des efforts maximaux d’une durée d’environ 20secondes.

 

Si la durée de l’exercice est plus imp, un autre mécanisme devient prépondérant = Glycolyse anaérobie

 

Ø  Erreurs fréquentes

1. Considérer que cette glycolyse ne démarre qu’après épuisement des réserves de CP et ATP.

2. Son démarrage est presque immédiat et sa montée en puissance progressive.

3. On parle de prépondérance.

 

Ø  Mécanisme

 

 

* Rappel : différence entre glucose et glycogène

1. Le glucose est le substrat de base.

2. Le glycogène, la forme de stockage utilisée par l’organisme humain pour les glucides.

 

La molécule de glycogène est constituée de multiples molécules de glucose unie par une réaction de synthèse.

 

Avant la glycolyse anaérobie le glycogène en présence d’eau subira une réaction d’hydrolyse et libérera les molécules de glucose.

 

On trouvera le glycogène dans le foie et dans les muscles

 

 

 

C6 H12 O6

 

 

La molécule de glucose :

 

 

 

 

Deux origines possibles pour le glucose :

  • Réserve intramusculaire (glycogène).
  • Glucose extracellulaire (foie).
    • Véhiculé par le sang jusqu’à la fibre.
    • Va traverser le sarcomère grâce à un mécanisme de diffusion facilitée.
    • Mécanismes sous contrôle hormonale (insuline).
    • Mais respectant le gradient de concentration (fibre musculaire).

 

 

Le glucose est dégradé en G6P grâce à l’énergie fournie par la dégradation d’un ATP.

Il y a transfert vers le glucose :

  • De l’énergie liée à la dégradation de l’ATP.
  • Du groupement phosphate.

 

Le même mécanisme se reproduit pour aboutir au Fructose 1,6 diphosphate.

 

Tout cela :

1. Aboutit à la construction d’acide pyruvique (C3H4O3)

2. Libèrent les ions hydrogènes

3. Libèrent de l’énergie pour la resynthèse de 2 ATP.

 

C6H12O6     2  C3H4O3  +  4(e- + H+)

 

 

 

 

 

 


Chaque étape est accélérée par des enzymes glycolytiques

 

Le bilan énergétique est donc 2 ATP par molécule de glucose. (4 – 2 = 2)

Il est de 3 à partir du glycogène, la transformation en G6P n’utilisant pas l’énegie liée à la dégradation d’un ATP.

Ces réactions chimiques se déroulent dans le cytoplasme cellulaire.

Les ions hydrogènes produits ne vont pas rester librement dans le cytoplasme.

Pris en charge par un « transporteur » appelé NAD (Nicotinamide adénine di nucléotide).

 

 

NAD  +  2 (e- + H+)           NADH2

                 forme oxydée                                                             forme réduite

 

 

 

 

 

 


L’appellation NADH2 (réduit) est aussi simplifier, le NAD prenant en charge un hydrogène et les 2 électrons NADH + H+.

 

Réaction résumé :

 

 

C6 H12 O6 + 2 NAD 2 C3 H4 O3 + 2(NADH + H+) + 2 ATP

 

 

 

 

 

Deux voies se présentent et l’orientation dépend de plusieurs facteurs :

  • Besoins en énergie (nature de l’effort).
  • Capacité à utiliser l’oxygène (activité mitochondriale).
  • Différenciation = fibres lentes  /  fibres rapides.
  • Vitesse des réactions chimiques.

 

 

 

Les fibres lentes riches en mitochondries utiliseront la première voie.

Les fibres 2b utiliseront la deuxième voie.

Les fibres 2a dites « mixtes » utiliseront les 2 orientations.

 

 

Ø  Vers l’acide lactique

 

C3 H4 O3  + 2 (H+ + e-)      C3 H6 03

 

 

 

 

 

 


L’acide lactique, acide faible, se scinde en ion H+ et C3 H4 O3 (ion lactate).

Les ions H+ s’accumulent dans le cytoplasme, modifient le pH (baisse).

C3 H4 03 = ac pyruvique

 

Conséquences 

Difficultés de plus en plus importante ds la réalisation des contractions musculaires.

 

 Caractéristiques (glycolyse + bascule en acide lactique)

 

* Inertie : faible

Devient prépondérante après 20s (mise en jeu des réactions chimiques).

 

* Puissance : importante, à débit maximum, travail d’intensité proche du maximum pendant environ 50 secondes (une course de 400m).

 

* Capacité : liée aux capacités à faire disparaître l’acidose, mais aussi à la tolérer.

 

* Rendement : de l’ordre de 25%

 

* Limites : constitué par l’acidose (baisse de PH) du à l’accumulation des ions H+

Effets =limitation des réactions chimiques. La concentration devient difficile (fin d’un 400m couru à fond).

 

Filière aérobie

Ø  Mécanisme

Utilise différents substrats :

  • Glucides.
  • Lipides.
  • Protéines (en qtté réduite ou ds certaines situation tq la dénutrition).

 

En situation normale = glucides et lipides.

L’intensité de l’effort va orienter le pourcentage de participation de chacun.

 


Glucose

Devenir de l’acide pyruvique :

  • A la suite de la glycolyse, il pénètre ds la mitochondrie.
  • Puis subit une décarboxylation (perte d’1 carbone) pr donne le groupement acétyl (2 carbones).
  • Le groupement acétyl se lie ac le CoA (présent ds la matrice de la mitochondrie) et forme l’acetyl-CoA.

 

 

 


  • Le cycle de Krebs : 
    • L’acétyl-CoA est oxydé ds un ensemble de 8 réactions chimiques. 
    • Produit entrant (= acétyl-CoA) qui se combine ac un élément d’amorçage (= ac oxaloacétique) et qui subissent tt un ensemble de réactions chimiques. 
    • Laisse l’élément d’amorçage intact à la sortie. 
    • Les ions H+ st pris en charge par les transporteurs  

-          NAD (x 3). 

-          FAD (Flavine Adénine Di nucléotide). 

  • Constitution de 6 CO2 : 

-          Quittent la fibre musculaire. 

-          Pénètrent la circulation sanguine. 

-         

+         -

 

Transportés vers les poumons = évacuation vers l’ext de l’organisme.

  • Libération de 12 paires d’hydrogène   (H    +  e  )  

-          Ces H+,  à haute charge énergétique, vt pénétrer ds la chaîne des e-. 

 

Oxydation

- Libération d’ions Oxygène.

 

 


  • Chaîne des e- = chaîne respiratoire 
    • Ds la mbrane mitochondriale. 
    • Les H+ libèrent leur énergie utilisée pr reconstituer de l’ATP à partie de l’ADP et de Pi. 
    • Fin de parcours = entrent en contact ac l’O2 pour former l’H2O. 

 

 

2 (e- + H+) + ½ O2     H2O + Energie

 

 

  •  

 

 

 


  • L’eau sera éliminée de la mm manière que le C02. 
  • Chaque molécule NADH2 réoxydée fourni l’énergie permettant la resysthèse de 3 ATP, et celles de FADH2 de 2 ATP. 

 

Equation bilan :

 

C6 H12 06 + 6 O2    2 CO2 + 6 H2O + Energie

38 ADP + 38 Pi + Energie 38 ATP

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

Formation de 38 ATP par molécule de glucose

 

 

Chaîne respiratoire

 

 

34 ATP

 

 

2 NADH2

 

 

6 NADH2

2 FADH2

 

 

2 NADH2

 

 

4 CO2

 

 

2 CO2

 

 

2 ATP

 

 

2 ATP

 

 

 

Cycle de Krebs

 

 

2 Acétyl-CoA

 

 

    Glycolyse aérobie

 

 

2 Ac pyruvique

 

 

Glucose

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Lipide (b-oxydation) ou hélice de Lynen

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Présents :

  • Dans la fibre musculaire en petite qqté sous forme de gouttelettes.
  • Dans les tissus adipeux = adipocytes.

 

Subissent une hydrolyse qui sépare les ag du glycérol.

Les ag pénètrent ds la mitochondrie grâce à un transporteur mbranaire = carnithine.

S’ensuit une phase d’oxydation qui nécessite l’énergie d’un ATP.

Les ag des molécules de tailles imp vt subir une succession d’oxydation.

Après chaque tour d’hélice, on retrouve :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


L’hélice continue jusqu’à la découpe complète de l’ag.

Les acétyl-CoA suivent le cycle de Krebs et les chaînes respiratoires.

 

Exemple : L’acide palmitique

 


 

130 ADP + 130 Pi + Energie 130 ATP

 

Bilan :

 

 

 

 

Le glycérol est transformé en G3P et intègre la glycolyse ac un bilan de 19 ATP

Pr un triglycéride composé d’un glycérol et de 3 ac palmitique, le bilan est de :

  • 130 ATP x 3 + 19 ATP = 409 ATP.

 

Deux commentaires :

  • Les triglycérides st plus rentables sur le plan énergétique. Une molécule de TG permet la resynthèse de 409 ATP, contre 38 ATP pr la molécule glucose.
  • Une qtté imp d’O2. On a 23 O2  pour un seul ag contre 6 pr le glucose.

 

Rapport entre substrat et intensité de l’effort :

  • Faible intensité de l’effort = vie courant, act sportives de récupération…
    • Apports en O2 suffisants.
    • Dégradation plus facile de lipides (rentable énergétiquement)
  • Quand l’intensité de l’effort augmente :
    • Apports en O2 insuffisants, pr privilégier les lipides.
    • Dégradation de plus en plus de glucose (moins rentable énergétiquement, ms moins gourmand en O2).
  • Quand l’intensité devient très importante.
    • Dégradation du glucose sans O2 ac constitution d’acide lactique.

 

 

Protéines

St peu utilisées = moins de 5% de la production énergétique du muscle.

Ds les cas de réserves glucidiques et lipidiques absentes (dénutrition), en conséquence fonte musculaire, car utilisation des tissus musculaires comme substrats.

 

Double pb pr l’utilisation des protéines :

  • Taille des molécules
    • Nécessité de faire disparaître les liaisons peptidiques et retrouver les acides aminés.
  • Présence d’azote
    •  Les acides aminés sont débarrassés de leur groupement amine (NH2) et transformé en « corps cétonique ».
    • Puis convertis en ac pyruvique ou en produit intermédiaire du cycle de Krebs.

 

Ø  Caractéristiques

Inertie

Dépend de la mise en jeu de tt les mécanismes de transport de l’O2 (intra et extra cellulaire).

Les réactions se déroulent au niveau des mitochondries et pas au niveau des myofilaments.

Progressive.

Environ 2 à 3 min pr atteindre son plein potentiel.

Correspond au désordre respiratoire quand on débute l’effort.

Au bout de qq min, la respiration se régularise (fréquence et amplitude). Evacuation de CO2 et apport en O2.

La sudation commence = évacuation d’H2O.

Signes que le système d’utilisation de l’O2 a atteint un rendement correct.

 

Puissance

PMA = Puissance Maximale Aérobie.

Atteinte quand le système de transport de l’O2 fonctionne au maximum.

Exprimée en Watts (W).

 

A ce moment, la consommation maxi d’O2 que l’on appelle VO2 max est également atteinte.

Il s’agit d’un débit = débit maxi de O2.

S’exprime en  ℓ/min = VO2 max absolue.

Ramenée à l’unité de poids en mℓ/kg/min = VO2 max fonctionnelle.

 

Mise en évidence d’une relation proportionnelle entre :

  • La consommation d’O2.
  • L’intensité de l’effort.

Cette relation de proportionnalité atteint ses limites qd la filière aérobie fonctionne à plein régime.

La consommation d’O2 atteint alors un plateau étant la VO2 max.

 

VO2 max :

  • Quantité max d’O2 consommée au niveau du muscle.
  • Qd la filière aérobie atteint son rendement maxi.
  • Où la puissance dégagée est la plus grde = PMA.

 

 

 

Rupture d’un certain niveau et plateau = VO2 max

 

 

- VO2 Max :

 Consommation maximale d'oxygène.

 

- VMA :

vitesse maximale aérobie

 

 

 

Relation entre disciplines sportives pratiquées et niveau de VO2 max

Relation entre niveau de VO2 max et les besoins énergétiques :

- Les plus énergétiques présentent des niveaux de VO2 max sup (activité de durée)

- les activités basées sur force-vitesse des VO2 max inf.

 

Explications :

Origine génétique, acquise ou les deux ?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Capacité

Théoriquement illimitée.

En fait elle est fonction :

- Des réserves de glycogène et de lipides.

- De l’intensité de l’exo (proche de PMA ou plus faible) et dons de la vitesse ac laquelle on dépense ses réserves.

 

Rendement

De l’ordre de 25% (25% pour la resynthèse de l’ATP, et 75% de chaleur).

Limites

Réserves énergétiques.

Capacités de l’individu à éliminer la chaleur produite (thermorégulation).

 

Tableau récapitulatif

Cf poly

 

Anaérobie Alactique

Anaérobie Lactique

Aérobie

Substrat

ATP + CP

Glycogène, glucose

Lipides, glucides, protéines

Inertie

Nulle

20 à 30 secondes

2 à 4 min

Puissance

400 à 700 kj/min

200 à 500 kj/min

60 à 120 kj/min

Maintien de la puissance

7 à 10 s

30 à 50 s

3 à 15 min

Capacité

30 à 50 kJ

95 à 120 kJ

Très élevée

Maintien de la capacité

20 à 30 s

2 min

Illimité

Lieu de production

Cytoplasme au niveau des myofilaments